超快飛秒光學新工具！單腔雙光梳的泵浦探測應用前景

介紹

單腔雙光梳技術是近年來光學領域備受矚目的研究方向之一。這項技術不僅在光譜分析、激光測距、厚膜檢測、泵浦探測等領域具有重要應用前景，還為研究精密光譜學、量子光學、光子學等提供了全新的研究平臺。

正文

單腔雙光梳技術是近年來光學領域備受矚目的研究方向之一。它利用了光學微腔的特殊結構和雙光梳的高度頻率穩(wěn)定性，實現(xiàn)了在單個微腔中同時產生兩個頻率間隔均勻的光學頻率梳。這項技術不僅在光譜分析、激光測距、厚膜檢測、泵浦探測等領域具有重要應用前景，還為研究精密光譜學、量子光學、光子學等提供了全新的研究平臺。

泵浦探針采樣

泵探針采樣是一種強大的技術，可用于觀察材料和生物系統(tǒng)中的超快過程（飛秒、納秒）。它將短而強的激光脈沖照射到樣品上（“泵浦”脈沖），從而激發(fā)樣品并引發(fā)物理過程或反應。延時的第二個激光脈沖（“探測”脈沖）被發(fā)送穿過樣品，以測量由于初始激發(fā)而發(fā)生的光學特性的變化。通過改變泵脈沖和探測脈沖之間的延遲，可以獲得具有高時間分辨率的樣品對泵浦脈沖響應的詳細時間記錄。

泵浦探針采樣在材料科學和化學中特別有用，可以幫助了解能量轉移、光化學和其他重要過程的基本機制。 目前有多種方法可以實現(xiàn)高性能泵浦探針測量系統(tǒng)。下圖從概念上比較了獲得性能泵浦探針設置所需的元素。

關鍵挑戰(zhàn)：光學延遲掃描

為了解析表面聲波和熱動力學，以及皮秒超聲波等應用，通常需要使用長掃描范圍的泵浦-探測光延遲。長掃描范圍能夠研究總厚度為幾十微米的復雜薄膜疊層，例如現(xiàn)代半導體微芯片中遇到的薄膜疊層。不幸的是，目前使用機械延遲線在如此長的距離上掃描速度很慢，并且容易受到光束偏轉或發(fā)散造成的系統(tǒng)誤差的影響，為此，光路設計上會需要更復雜的光機械結構。此外，緩慢的光學延遲掃描速度需要對信號進行鎖定檢測來獲得高靈敏度，這也進一步增加了系統(tǒng)的復雜性。

無需移動部件即可進行快速光學延遲掃描：光學異步采樣（ASOPS）

ASOPS是在泵浦探針測量中獲得長范圍光學延遲掃描的另一種方法。它使用兩種不同的光學脈沖速率，一種用于泵浦，一種用于探頭，從而可以精確、快速地掃描它們之間的光學延遲。 該技術通常用于超快光聲和其他瞬態(tài)吸收研究。在這過程中，掃描范圍一般由泵浦重復率決定，而掃描速度則由重頻差決定。ASOPS 通常使用兩個獨立的脈沖激光器激光器來實現(xiàn)，這兩個激光器通過高頻鎖相環(huán)和高帶寬反饋電子設備進行同步，以獲得時間軸上的飛秒級精度。

采用單腔雙梳的光學異步采樣

使用單腔雙梳即可代替兩個單獨的飛秒激光器進行光學異步采樣。在單個激光腔內生成兩個具有一定差異的短脈沖，而每個脈沖序列即可分別用作泵浦源和探測源。與傳統(tǒng)的雙激光器 ASOPS系統(tǒng)相比，這種單腔雙梳激光解決方案具有多種優(yōu)勢。首先，它極大地簡化了實驗設置，減少了所需組件的數(shù)量，并使系統(tǒng)更加緊湊和穩(wěn)定。其次，它可以提高時間軸穩(wěn)定性，因為泵浦源和探測源都是從同一激光腔產生的，因此具有相關的脈沖噪聲特性。這抑制了兩個獨立激光器之間對電子反饋回路的需求，并大大提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

審核編輯 黃宇